Objective: HIV-1 infection is characterized by altered intestinal barrier, gut microbiota dysbiosis, and systemic inflammation. We hypothesized that changes of the gut microbiota predict immune dysfunction and HIV-1 progression, and that antiretroviral therapy (ART) partially restores the microbiota composition. Design: An observational study including 28 viremic patients, three elite controllers, and nine uninfected controls. Blood and stool samples were collected at baseline and for 19 individuals at follow-up (median 10 months) during ART. Methods: Microbiota composition was determined by 16S rRNA sequencing (Illumina MiSeq). Soluble markers of microbial translocation and monocyte activation were analyzed by Limulus Amebocyte Lysate assay or ELISA. Results: Several alpha-diversity measures, including number of observed bacterial species and Shannon index, were significantly lower in viremic patients compared to controls. The alpha diversity correlated with CD4+ T-cell counts and inversely with markers of microbial translocation and monocyte activation. In multivariate linear regression, for every age and sex-adjusted increase in the number of bacterial species, the CD4+ T-cell count increased with 0.88 (95% confidence interval 0.35–1.41) cells/μl (P = 0.002). After introduction of ART, microbiota alterations persisted with further reduction in alpha diversity. The microbiota composition at the genus level was profoundly altered in viremic patients, both at baseline and after ART, with Prevotella reduced during ART (P < 0.007). Conclusions: Gut microbiota alterations are closely associated with immune dysfunction in HIV-1 patients, and these changes persist during short-term ART. Our data implicate that re-shaping the microbiota may be an adjuvant therapy in patients commencing successful ART.

Mucosa-associated invariant T (MAIT) cells represent a large innate-like evolutionarily conserved antimicrobial T-cell subset in humans. MAIT cells recognize microbial riboflavin metabolites from a range of microbes presented by MR1 molecules. MAIT cells are impaired in several chronic diseases including HIV-1 infection, where they show signs of exhaustion and decline numerically. Here, we examined the broader effector functions of MAIT cells in this context and strategies to rescue their functions. Residual MAIT cells from HIV-infected patients displayed aberrant baseline levels of cytolytic proteins, and failed to mobilize cytolytic molecules in response to bacterial antigen. In particular, the induction of granzyme B (GrzB) expression was profoundly defective. The functionally impaired MAIT cell population exhibited abnormal T-bet and Eomes expression patterns that correlated with the deficiency in cytotoxic capacity and cytokine production. Effective antiretroviral therapy (ART) did not fully restore these aberrations. Interestingly, IL-7 was capable of arming resting MAIT cells from healthy donors into cytotoxic GrzB+ effector T cells capable of killing bacteria-infected cells and producing high levels of pro-inflammatory cytokines in an MR1-dependent fashion. Furthermore, IL-7 treatment enhanced the sensitivity of MAIT cells to detect low levels of bacteria. In HIV-infected patients, plasma IL-7 levels were positively correlated with MAIT cell numbers and function, and IL-7 treatment in vitro significantly restored MAIT cell effector functions even in the absence of ART. These results indicate that the cytolytic capacity in MAIT cells is severely defective in HIV-1 infected patients, and that the broad-based functional defect in these cells is associated with deficiency in critical transcription factors. Furthermore, IL-7 induces the arming of effector functions and enhances the sensitivity of MAIT cells, and may be considered in immunotherapeutic approaches to restore MAIT cells.